提煉能源轉(zhuǎn)型問題的要素，強(qiáng)調(diào)應(yīng)重視政策制定者、能源供應(yīng)者等不同利益相關(guān)者行為的影響;梳理能源轉(zhuǎn)型研究的不同目的，即解釋(explanation)、預(yù)測(cè)(prediction)、推演(projection)及優(yōu)化(optimization)等，研究的要點(diǎn)及面臨的挑戰(zhàn);歸納能源轉(zhuǎn)型研究范式的現(xiàn)狀與不足;提出基于技術(shù)-經(jīng)濟(jì)-行為統(tǒng)計(jì)學(xué)模型-真實(shí)人混合交互仿真及反復(fù)推演，協(xié)調(diào)優(yōu)化轉(zhuǎn)型目標(biāo)與路徑的新范式。其續(xù)篇將討論能源轉(zhuǎn)型研究中的不確定性因素及分析方法。

引言

能源是人類經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)。人類對(duì)能源的開發(fā)與利用經(jīng)歷了傳統(tǒng)生物質(zhì)、煤炭、油氣時(shí)代，氣候變化、環(huán)境安全、能源枯竭、公民健康等問題使能源的清潔替代成為全球的共識(shí)。2015年第21屆聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)上達(dá)成的《巴黎協(xié)定》中，各國(guó)同意將全球氣溫相對(duì)于工業(yè)化前水平的升幅控制在2℃內(nèi)，并努力控制在1.5℃內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)2℃的目標(biāo)，2011—2050年間全球二氧化碳的累計(jì)排放量需控制在11000億t以內(nèi)，在2050年前全球約82%~88%、49%~52%和33%~35%的煤炭、天然氣和石油探明經(jīng)濟(jì)可采儲(chǔ)量將不得開采[1]。

能源轉(zhuǎn)型的根本任務(wù)是構(gòu)建清潔、低碳的新型能源體系。截至2016年底，全球大部分國(guó)家已實(shí)施相關(guān)的可再生能源(RES)支持政策，至少有176個(gè)國(guó)家制定了本國(guó)的清潔能源發(fā)展目標(biāo)，丹麥、德國(guó)等轉(zhuǎn)型積極的國(guó)家計(jì)劃到2050年實(shí)現(xiàn)RES占終端能源比例達(dá)到100%和60%[2]。中國(guó)已經(jīng)成為全球最大的水能、風(fēng)能與太陽(yáng)能利用國(guó)，并正在進(jìn)一步推動(dòng)能源生產(chǎn)與消費(fèi)革命，基于自身國(guó)情計(jì)劃在2020年、2030年和2050年分別將一次能源中的非化石能源占比提高到15%、20%和50%[3]。

能源的清潔轉(zhuǎn)型將伴隨系統(tǒng)中能量資源的來(lái)源(化石能源、RES、核能等一次能源)、能量的載體(煤/油/氣等傳統(tǒng)燃料、電能、熱能等)、能源基礎(chǔ)設(shè)施(生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、配送、用能等各個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)施)、能源市場(chǎng)機(jī)制、能源政策、能源供應(yīng)者與消費(fèi)者的行為等多種因素的轉(zhuǎn)變。

電能是連接一次能源與終端能源的橋梁，是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的二次能源。電網(wǎng)在綜合能源系統(tǒng)中占據(jù)核心地位，是推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型的中心環(huán)節(jié)。RES的大規(guī)模利用離不開電能，電網(wǎng)是在一次能源側(cè)實(shí)現(xiàn)清潔替代的關(guān)鍵。以特高壓為骨干網(wǎng)架的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)將支撐煤炭、RES等能源在廣域的快速輸送與配置[4-5]。由于電能的高效、便捷、清潔、友好、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)，電力在全球終端能源中的比例從1973年的9.4%增長(zhǎng)至2015年的18.5%[6]。未來(lái)，電動(dòng)汽車的發(fā)展、電能對(duì)煤炭散燒的替代以及工商業(yè)等其他領(lǐng)域的電能替代將持續(xù)推進(jìn)全社會(huì)的“再電氣化”。國(guó)際能源署(IEA)預(yù)計(jì)到2040年前，全球40%的終端能源增長(zhǎng)將來(lái)自電能[7]。

然而，電力系統(tǒng)與一次能源研究長(zhǎng)期缺乏融合。隨著化石能源直接輸送在運(yùn)力、環(huán)境等方面遭遇的瓶頸[8]，風(fēng)電、光伏等RES發(fā)電大規(guī)模發(fā)展遭遇消納困境[9]，打破一次能源與電力系統(tǒng)研究長(zhǎng)期割裂狀態(tài)的需求更加緊迫。應(yīng)在電力系統(tǒng)分析中計(jì)及化石能源充裕性不足所造成的一次能源阻塞[10];在一次能源清潔轉(zhuǎn)型研究中考慮高比例RES電力系統(tǒng)的基本特性[11]。

文獻(xiàn)[12]詮釋了在電力系統(tǒng)(powersystem，PS)的研究中逐漸增加對(duì)信息系統(tǒng)(cybersystem)、廣義物理環(huán)境(非電能源系統(tǒng)、非能源系統(tǒng))、人的行為等社會(huì)系統(tǒng)(socialsystem)的考慮，從而依次拓展為智能電網(wǎng)(smartgrid，SG)、信息-物理-能源系統(tǒng)(cyber-physicalsysteminenergy，CPSE)、信息-物理-社會(huì)-能源系統(tǒng)(cyber-physical-socialsysteminenergy，CPSSE)的過程。能源轉(zhuǎn)型是一個(gè)典型的CPSSE問題，與之相對(duì)應(yīng)的研究不僅涉及與能源技術(shù)、氣候科學(xué)等相關(guān)的自然科學(xué)領(lǐng)域，還涉及與能源經(jīng)濟(jì)、政策機(jī)制、人的行為等相關(guān)的政治學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域。

各類不同視角、對(duì)象系統(tǒng)以及具體內(nèi)容的研究均可被歸為“能源轉(zhuǎn)型”的范疇。例如，電動(dòng)汽車的發(fā)展、煤炭的清潔利用、終端能源結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期演化(含電能替代)等。目前，仍沒有一個(gè)被普遍接受的“能源轉(zhuǎn)型”定義。其中，“一次能源結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期演化”是被使用最多的定義[13-14]。限于篇幅，本文將集中討論上述定義所限定的范圍。若無(wú)特別說明，后文的“能源轉(zhuǎn)型”均指“一次能源結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期演化”。

過去幾十年中，能源轉(zhuǎn)型問題得到了廣泛的關(guān)注與討論，但該問題的研究現(xiàn)狀、面臨的挑戰(zhàn)等則未得到清晰的梳理。當(dāng)前，涉及能源轉(zhuǎn)型的綜述性文獻(xiàn)大多以能源模型或工具為視角，范圍涉及能源供應(yīng)與需求、電力市場(chǎng)、電力系統(tǒng)運(yùn)行與規(guī)劃、分布式能源系統(tǒng)等能源領(lǐng)域各個(gè)方面的問題，討論了模型的功能、建模方式等方面的分類與比較，而未專門針對(duì)能源轉(zhuǎn)型問題進(jìn)行深入的探討[15-20]。文獻(xiàn)[21]針對(duì)一類綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、人的行為的能源轉(zhuǎn)型模型進(jìn)行了綜述，比較了各模型在應(yīng)用領(lǐng)域、技術(shù)-經(jīng)濟(jì)細(xì)節(jié)、參與者異質(zhì)行為、轉(zhuǎn)型路徑動(dòng)態(tài)、模型校正與驗(yàn)證等方面的異同。該文是為數(shù)不多的專門針對(duì)能源轉(zhuǎn)型模型的綜述，但綜述的范圍較小、討論重點(diǎn)則僅是模型間的比較。

以本文為首的2篇系列論文將討論清潔低碳發(fā)展背景下的能源轉(zhuǎn)型研究問題。

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